風電系統防雷及過電壓保護措施探討

陳超駿

（華能江西清潔能源有限責任公司，江西南昌 330029）

0 引言

隨著風能利用技術的不斷發展和成熟，我國風能的開發項目發展十分迅速。目前我國尚沒有風電系統過電壓保護和防雷接地的國家標準或行業標準。針對這一情況，首先對風電機組過電壓主要應考慮外部過電壓、內部過電壓兩個方面進行介紹。其次，給出了風電系統的過電壓及保護體系和實現，主要包括直擊雷保護、感應雷保護、機組配套升壓設備保護、接地設計等4大方面。最后，結合風電工程實例，系統地闡述了風電系統中的保護及防雷接地的方案設計及其實現，對風力發電和風電場設計具有較好的指導意義。

1 過電壓

1.1 外部過電壓

外部過電壓又稱雷電過電壓，由大氣中的雷云對地放電而引起的，持續時間約為幾十微秒，具有脈沖的特性。直擊雷過電壓幅值可達上百萬伏，會破壞電工設施絕緣，引起短路接地故障。感應雷電過電壓是雷閃擊中電工設備附件地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設備（包括二次設備、通信設備）上感應出的過電壓。

1.2 內部過電壓

內部過電壓是電力系統內部運行方式發生改變而引起的過電壓，分暫時過電壓（暫態過電壓和諧振過電壓）、操作過電壓。暫態過電壓是由于斷路器操作或發生短路故障，使電力系統經歷過渡過程以后重新達到某種暫時穩定的情況下出現的過電壓，又稱工頻電壓升高。諧振過電壓是電力系統中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發生諧振所造成的過電壓。操作過電壓是由于進行斷路器操作或發生突然短路而引起的衰減較快持續時間較短的過電壓。

2 風電系統過電壓保護配置

風電系統的過電壓保護主要包括風電系統中風電機組、升壓站、場內輸電線路過電壓保護及防雷接地等三大部分內容。風電機組過電壓保護及防雷接地主要應考慮幾個方面。以下就直擊雷保護、感應雷保護、機組配套升壓設備保護、接地設計等四個方面做出了分析和闡述。

2.1 直擊雷保護

風力發電機出口電壓一般為690 V，需要通過箱式變壓器將電壓升高至10 kV或35 kV后送入升壓站，而箱式變壓器一般布置在風電機組附近，由于風電機組離地距離很高，且已有較完善的接地防雷系統。

風電場升壓站內電氣設備通常采用戶內型布置，安裝于生產樓內，因此升壓站生產樓可采用屋頂避雷帶進行直擊雷保護。部分升壓站采用的戶外敞開式布置方式，當電氣設備布置于戶外時，所有電氣設備應考慮直擊雷影響，應由避雷針進行保護，或由避雷針及避雷線進行聯合保護；戶內部分的電氣設備可通過屋頂避雷帶進行保護。

2.2 感應雷保護

風電機組及配套箱變內易受過電壓破壞的設備，需要配備避雷器、防雷器或電涌保護等設備。由于箱式變電站是通過電纜或架空線分別與機組和系統連接，因此需考慮感應雷過電壓，在配套升壓變高壓側，為了防止雷電侵入波影響，在變壓器高壓側需安裝金屬氧化鋅避雷器保護，同時為保護機組內部電力電子元件，在低壓側安裝第一級電涌保護器。

采用電纜輸電方案時，電纜一般采用直埋敷設方式。因此，不會有直擊雷過電壓情況，但是需考慮感應雷過電壓的可能性。因此在電纜進入箱變及升壓站中壓母線處需安裝避雷器，以降低感應雷影響。另外，電纜鎧裝金屬屏蔽應確保可靠接地。

2.3 機組配套升壓設備保護

風電系統配電裝置的侵入雷電波保護，為了防止雷電波影響，需在風電場高壓及中壓配電裝置母線及架空線入口處裝設氧化鋅避雷器保護。在箱變高壓側安裝氧化鋅避雷器保護，同時可在低壓側安裝第一級電涌保護器。

關于避雷器設置需經過計算，金屬氧化物避雷器與主變器間的最大電氣距離可參照表1確定，對于其他電器的最大距離可相應增加35%。

表1 避雷器電氣距離參照表

2.4 接地設計

在進行風機機組和升壓站接地設計時，應符合規程規范要求，并校核接觸電位差和跨步電壓差。接地應根據地形、地貌，充分利用自然接地體，結合降阻劑、深井、擴網等方式。當土壤電阻率很高，接地電阻難以滿足要求時，應通過技術經濟比較調整接地電阻，并采用相關隔離措施。土壤電阻率較低腐蝕性較強時，應對接地網采取保護措施。

根據《交流電氣裝置的接地》（DL/T621-1997）規定，設備的工頻接地電阻應不大于4Ω。風電機組升壓設備接地應充分利用風電機組基礎接地網，風電機組接地電阻已很低，不容易超過規定的要求。

3 風機機組防雷配置

根據單臺風電機組接地裝置采用以風電機組中心為圓心設置環形水平接地帶，根據沖擊有效范圍的計算，如表2所示。

表2 單臺風電機工頻接地電阻和沖擊接地電阻

本風電場4、6、9號共三臺風電機的沖擊接地電阻不滿足要求，應采取措施降阻，使用降阻劑后風電機接地電阻見表3。

表3 降阻后風機電阻表

采用本方案降阻后，接地竣工驗收經測試時，所有風電機組接地電阻均滿足了風電機組廠家的要求。

3.2 建筑物的防雷保護配置

升壓站利用2根35 m高的獨立避雷針、建筑物屋頂避雷帶等防直擊雷的保護措施來進行保護。升壓站在避雷針保護范圍外的建筑物屋頂采用Φ12鍍鋅圓鋼作避雷帶，避雷帶連接線網格不大于10m×10m或12m×8m；屋面的所有金屬構件(如鐵爬梯、水箱(管)、透氣管等)均與避雷帶可靠焊接，避雷帶可利用建筑物立柱主鋼筋作為引下線，每隔10~20 m設引下線接地。

3.3 升壓站接地配置

按(DL/T621-1997)《交流電氣裝置的接地》要求，對所有電氣設備外殼、開關柜接地母線、設備架構、電纜支架、管道、以及其它可能事故帶電的金屬構件均要求可靠接地。升壓站接地系統設置一個總的接地網，將保護接地、工作接地、過電壓保護接地形成聯合接地體，接地系統應按《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》GB50169-2006的要求進行施工。

按《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)要求，接地電阻R≤2000/I，且考慮升壓站計算機系統的要求，升壓站滿足接地電阻阻值0.5Ω。當不滿足阻值要求時可根據實際情況采取相應的措施，一般措施有：擴網、外引接地體、換土、加降阻劑、接地深井、爆裂深井、離子棒、離子模塊等，相應增加一定接地處理費用。本期主接地網按終期規模一次建成。

升壓變電站主接地網以水平接地體為主，垂直接地體為輔，網孔閉合的復合式地網。水平接地網接地體采用-60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L=2.5 m的Φ50熱鍍鋅鋼管。水平接地體埋深0.8 m以下，接地網四周拐角及引上線連接上下部分處均宜做成圓弧狀，半徑不小于5 m，水平均壓網網間距離為8～10 m。水平接地體之間，鍍鋅扁鋼與垂直接地極之間的連接采用焊接連接。在人員經常活動的如配電室、塔基四周、人員出入口、攀登塔梯等地方，接地體的布置應考慮到人身安全，可采取接地網局部增設水平均壓帶和鋪設礫石地面等措施，經計算后滿足(DL/T621-1997)《交流電氣裝置的接地》中對接觸電壓和跨步電壓要求。

配電室和生產樓柱內鋼筋做為引下線與接地網連接，并裝設接地斷開點；基礎內鋼筋作為接地網的一部分。主控室內的電子設備設置防止高電位引入的電涌保護器。

4 結論

本文對風電系統的保護和防雷接地進行了論述，從風電系統中風電機組、升壓站、場內輸電線路等三個具體情況，對風電系統常見的過電壓情況進行了分析。由于風電系統中各部分的具體情況不同，防雷接地設計也有所不同。因此有針對性的進行設計，能夠提高防雷的可靠性，以保證風電系統的安全穩定。

[1]DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地[S].

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